单播、广播和多播

当前的网络中有三种通讯模式：单播、广播、组播(多播)，其中的组播出现时间最晚但同时具备单播和广播的优点，最具有发展前景。

一、单播：

主机之间“一对一”的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将 IP单播数据传送到其指定的目的地。
单播的优点：

1. 服务器及时响应客户机的请求

2. 服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。

单播的缺点：

1. 服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。

2. 现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞，只要有5％的客户在全速使用网络，其他人就不要玩了。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

二、 广播：

主机之间“一对所有”的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。
广播的优点：

1. 网络设备简单，维护简单，布网成本低廉

2. 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。

广播的缺点：

1.无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。

2. 网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道（如果采用数字压缩技术，理论上可以提供 500个频道），即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干，也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。

3. 广播禁止在Internet宽带网上传输。

三、组播：

主机之间“一对一组”的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。
组播的优点：

1. 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。

2. 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个（268435456）组播，所以其提供的服务可以非常丰富。

3. 此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

组播的缺点：

1．与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。

2．现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

单播、广播和多播地址

除地址类外，还可根据传输的消息特征将IP地址分为单播、广播或多播。主机使用IP地址进行一对一（单播）、一对多（多播）或一对所有（广播）的通信。

1．单播

单播地址是IP网络中最常见的。包含单播目标地址的分组发送给特定主机，一个这样的例子是，IP地址为192.168.1.5（源地址）的主机向IP地址为192.168.1.200（目标地址）的服务器请求网页，如图5.8所示。

 

图5.8  单播IP分组

要发送和接收单播分组，IP分组报头中必须有一个目标IP地址，而以太网帧报头中必须有相应的目标MAC地址。IP地址和MAC地址一起将数据传输到特定的目标主机。

提  示 

如果目标IP地址属于另一个网络，则在帧中使用的目标MAC地址将为与源IP地址位于同一个网络中的路由器接口的MAC地址。

2．广播

广播分组的目标IP地址的主机部分全为1，这意味着本地网络（广播域）中的所有主机都将接收并查看该分组。诸如ARP和DHCP等很多网络协议都使用广播。

例如：

C类网络192.168.1.0的默认子网掩码为255.255.255.0，其广播地址为192.168.1.255，其主机部分为十进制数255或二进制数11111111（全为1）；

B类网络172.16.0.0的默认子网掩码为255.255.0.0，其广播地址为172.16.255.255；

A类网络10.0.0.0的默认子网掩码为255.0.0.0，其广播地址为10.255.255.255。

在以太网帧中，必须包含与广播IP地址对应的广播MAC地址。在以太网中，广播MAC地址长48位，其十六进制表示为FF-FF-FF-FF-FF-FF。图5.9所示的是一个广播IP分组。

 

图5.9  广播IP分组

3．多播

多播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个多播组IP地址，多播地址范围为224.0.0.0～239.255.255.255。由于多播地址表示一组设备（有时被称为主机组），因此只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

远程游戏就是一个使用多播地址的例子，很多玩家通过远程连接玩同一个游戏；另一例子是通过视频会议进行远程教学，其中很多学生连接到同一个教室。还有一个例子是硬盘映像应用程序，这种程序用于同时恢复众多硬盘的内容。

同单播地址和广播地址一样，多播IP地址也需要相应的多播MAC地址在本地网络中实际传送帧。多播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP多播组地址的最后23位转换得到的。一个MAC多播地址是01-00-5E-0F-64-C5，如图5.10所示。每个十六进制位相对于4个二进制位。

 

图5.10  多播IP分组